Направление: 011200 Физика
Профиль: Электроника наносистем
Кафедра электроники твёрдого тела
Научный руководитель: д. ф.-м. н. А.М. Шикин
Рецензент: д. ф.-м. н. Г.Г. Владимиров

Исследование особенностей спиновой электронной и атомной структуры топологических изоляторов различной стехиометрии для формирования спиновых токов
Филянина Мария Валерьевна
Контролируемые генерация и управление спиновыми или спин-поляризованными электрическими токами в топологических изоляторах могут быть использованы, к примеру, для индуцированной перемагнетизации отдельных ферромагнитных областей посредством спин-торк эффекта или для управления движением доменных стенок. 
Самыми перспективными материалами для использования в спинтронике, известными к настоящему моменту, считаются топологические изоляторы, которые в силу особенностей электронной структуры, являются изоляторами в объёме, но имеют проводящие состояния на поверхности. Причём эти поверхностные состояния образуют дираковский конус, расположенный в объёмной запрещенной зоне, и оказываются топологически защищены от каких-либо немагнитных изменений на поверхности. Причина, по которой топологические изоляторы считаются идеальными кандидатами для применения в спинтронике, заключается в особенности спиновой структуры дираковского конуса. Топологические поверхностные состояния характеризуются геликоидальной спиновой поляризацией, т.е. спин электрона всегда строго связан с направлением его момента. Важным следствием из такой уникальной спиновой структуры является тот факт, что любой электрический ток по поверхности будет поляризованным по спину, с направлением спина перпендикулярным направлению распространения тока. К настоящему моменту предложено несколько способов генерации спин-поляризованных токов в топологических изоляторах: путём приложения электрического поля к поверхности, и с помощью создания несимметричного распределения электронов в пространстве импульсов при облучении светом с циркулярной поляризацией.
В данной работе проведены исследования атомной, электронной и спиновой структуры топологических изоляторов различной стехиометрии Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2,  PbBi2Se2Te2,  PbBi4Te4Se3,  и PbBi4Te5Se2 методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением для анализа эффективности генерации спин-поляризованных токов в данных соединениях. Проведен анализ возможности генерации и детектирования спин-поляризованных токов по поверхностным состояниям в исследуемых топологических изоляторах Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2 и PbBi2Se2Te2  путём облучения поверхности светом с противоположными циркулярными поляризациями.
Диссертация изложена на 63 страницах и состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 25 рисунков и список литературы из 69 наименований.
Во введении описана актуальность темы диссертационной работы, продемонстрирована новизна и практическая значимость проводимых исследований, сформулирована цель диссертационной работы и перечислены задачи, решаемые в рамках поставленной цели.
В первой главе описаны основы теоретического описания материалов с топологическим порядком, в том числе топологических изоляторов, исследуемых в данной работе. Продемонстрированы особенности электронной и спиновой структуры топологических изоляторов, а также современное состояние исследований в этой области. В конце главы продемонстрированы способы генерации спин-поляризованных токов по топологическим поверхностным состояниям и описаны особенности механизма их формирования.
Во второй главе описаны экспериментальные методы исследования электронной и спиновой структуры, использованные в данной работе. Приведено описание технических особенностей экспериментов, проводимых в данной работе.
В третьей главе приведено описание полученных экспериментальных результатов по исследованию спиновой электронной и атомной структуры топологических изоляторов Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2,  PbBi2Se2Te2,  PbBi4Te4Se3,  и PbBi4Te5Se2 Проведен анализ особенностей дираковского конуса для данных соединений и сделаны предположения об эффективности формирования спин-поляризованных токов в топологических изоляторах Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2 и PbBi2Se2Te2. Проведено исследование возможности формирования спин-поляризованных токов в данных системах путем облучения поверхности циркулярно поляризованным излучением. Предложен способ детектирования спин-поляризованных токов в топологических изоляторах по энергетическому сдвигу уровня Ферми в фотоэмиссионных спектрах, измеренных при противоположных циркулярных поляризациях. Описан предположительный механизм формирования наблюдаемых энергетических сдвигов и их связь с формирующимися спин-поляризованными токами.  
В заключении приведены основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Список публикаций
1) M. Rusinova, I.I. Klimovskikh., A.A. Rybkina, A.G. Rybkin, E.V. Zhizhin, A.M. Shikin “Spin structure in thin Au layers on W(110) and Mo(110)”, Book of Abstracts, Proceedings "Science and progress" p. 58, St. Petersburg State University, 2013.
2) A.M. Shikin, A.A. Rybkina, I.I. Klimovskikh, M.V. Rusinova, E.V. Zhizhin, A.G. Rybkin, “Effects of induced spin-orbit coupling in formation of quantum sp- and d- resonances in low-dimension systems” // Proceedings of the XVII International symposium “Nanophysics and Nanoelectronics”, p. 253, Nizhniy Novgorod, Russia, 2013.
3) I.I. Klimovskikh., M.V. Rusinova, A.A. Rybkina, A.G. Rybkin, E.V. Zhizhin, A.M. Shikin “Spin polarization of interface states in thin films of Bi on Ag/W(110)”, Book of Abstracts, Proceedings "Science and progress" p. 48, St. Petersburg State University, 2013.
4) I.I. Klimovskikh., M.V. Rusinova, A.A. Rybkina, A.G. Rybkin, E.V. Zhizhin, A.M. Shikin “Spin polarization of quantum well and interface states in 2ML Bi/1ML Ag/W(110)”, Proceedings of the XVII International symposium “Nanophysics and Nanoelectronics”, p.226, Nizhniy Novgorod, Russia, 2013.
5) A.M. Shikin, A.A. Rybkina, M.V. Rusinova, I.I. Klimovskikh, A.G. Rybkin, E.V. Zhizhin, E.V. Chulkov and E.E. Krasovskii “Effect of spin–orbit coupling on atomic-like and delocalized quantum well states in Au overlayers on W(110) and Mo(110)”, New Journal of Physics, 15 (2013) 125014.
6) I.I. Klimovskikh, M. V. Rusinova, A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, E. V. Zhizhin, and A. M. Shikin “Spin Polarization of QuantumWell and Interface States of Ultrathin Films of Bi on W(110) with Ag Interlayers”,  Bulletin of the RAS 7 (2014) 39.
7) A.M. Shikin, I. Klimovskikh, S.V. Eremeev, A.A. Rybkina, M. Rusinova, A.G. Rybkin, E. Zhizhin, A.Varykhalov, I.P. Rusinov, E.V. Chulkov, K.A. Kokh, V.A. Golyashov and O.E.Tereshchenko, “Electronic and spin structure of the topological insulator Bi2Te2.4Se0.6”, Physical Review B 89 (2014) 12.
8) M.V. Rusinova, I.I. Klimovskikh, A.A. Rybkina, S.E. Eremeev, A.G. Rybkin, E.V. Zhizhin, A.E. Petukhov, I.P. Rusinov, O.E. Tereshchenko and A.M. Shikin, “Electronic and spin structure of topological insulator Bi2Te2.4Se0.6”, Proceedings of the XVIII International symposium “Nanophysics and Nanoelectronics”, p. 226, Nizhniy Novgorod, Russia, 2014.
9) I.I. Klimovskikh, S.S. Tsirkin, A.G. Rybkin, A.A. Rybkina, M.V. Filianina, E.V. Zhizhin, E.V. Chulkov, A.M. Shikin, “Non-trivial spin structure of graphene on Pt(111) at the Fermi level due to spin-dependent hybridization”, Physical Review B 90  (2014) 235431.
10) M.V. Filianina, I.I. Klimovskikh, A.G. Rybkin, V.A. Golyashov, A.E. Petukhov, S.E. Eremeev, I.P. Rusinov, E.V. Chulkov, O.E. Tereshchenko, K.A. Kokh and A.M. Shikin, “Electronic, spin and atomic structure of topological insulators under contact with noble metals”, Proceedings of the XIX International symposium “Nanophysics and Nanoelectronics”, p. 304, Nizhniy Novgorod, Russia, 2015.